CN102073049A

CN102073049A - 一种小深度多普勒计程仪

Info

Publication number: CN102073049A
Application number: CN2009101991301A
Authority: CN
Inventors: 吴兆臻
Original assignee: SHANGHAI MARINE INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI MARINE INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-05-25

Abstract

一种小深度多普勒计程仪，涉及的是航海计程领域。目前的多普勒计程仪有缺陷：采用相控阵的大深度多普勒计程仪，可测船舶对底或对水的速度，但其工艺复杂、价格贵；另外一种是小型化的对水多普勒计程仪，体积小、价格便宜，但只能测对海底的速度。本发明提供一种既可以对水也可以対底测速，但工艺较采用相控阵的大深度多普勒计程仪简单，价格也较便宜的小深度多普勒计程仪。在200m水深范围内，利用海底的散射信号进行对底测速，当水深超过200m时，利用换能器基阵面以下10m深的某一厚度水层的体积散射信号进行对水测速。本发明主要由水下换能器基阵、接线盒、主机柜(含收/发系统)、主显示器以及电源箱共五个部分组成。

Description

一种小深度多普勒计程仪

技术领域

本发明涉及的是航海计程领域，具体涉及一种多普勒计程仪，属于水声导航仪器。

背景技术

目前，在航海系统中，采用计程仪可以连续测量运动中船舶的速度并计算出船舶的累计航程。20世纪30年代出现萨尔式水压计程仪和契尔尼克夫式转轮计程仪；50年代出现电磁计程仪。以上各种计程仪均系测量船舶相对于水的航速和航程，只有根据水的流速和流向加以修正，方能求得船舶相对于水底的航速和航程，另外安装及维修较麻烦。70年代出现的多普勒计程仪，可以直接测量船舶相对于水底的航速和航程，使计程仪发展到一个新的水平。

多普勒计程仪利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计航程。这种计程仪准确性好，灵敏度高，可测纵向和横向速度。主要用于船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。最突出的特点是具有很高的灵敏度，测相对海底速度，能精确到0.01节。

目前的多普勒计程仪有缺陷：采用相控阵的大深度多普勒计程仪，可测船舶对底或对水的速度，但其工艺复杂、价格贵；另外一种是小型化的对水多普勒计程仪，体积小、价格便宜，但只能测对海底的速度。

发明内容

针对上述的问题，本发明所要解决的就是提出一种既可以对水也可以対底测速，但工艺较相控阵简单，价格也较便宜的小深度多普勒计程仪。在200m水深范围内，利用海底的散射信号进行対底测速；当水深超过200m时，利用换能器基阵面以下10m深的某一厚度水层的体积散射信号进行对水测速。

本发明提供的小深度多普勒计程仪，其系统结构如图1所示，主要由水下换能器基阵、接线盒、主机柜(含收/发系统)、主显示器以及电源箱共五个部分组成。

--换能器基阵用于向水中发射声脉冲信号，并接收从海底或水层返回的声波，实现电-声或声-电转换功能。

--接线盒用于实现换能器阻抗与发射机负载阻抗间的匹配。它还带有4路模拟负载，具有模拟负载或换能器与主机柜中收/发系统的转接功能。

--主机柜由计算机及数字信号处理分机、收/发系统和低压电源模块组成。

计算机及数字信号处理分机主要完成速度、航程、深度的计算以及数据传输，实现自校、工况转换以及与外部设备的数据通讯。

收/发系统主要完成对发射脉冲包络信号进行调制和功率放大，对接收回波信号进行放大、对数检波和正交变频输出。它还可以对校正脉冲包络信号进行调制和放大，再通过接线盒转接至接收通道，完成自校功能。

--主显示器用于速度、航程及设备工作状态信息，并对设备的工作状态及参数进行操控。

--电源箱用于提供主机柜中收/发系统中的发射机所需的高压电源。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明

图1为系统方框图。

图2为换能器布阵方式。

图3为发射通道原理性方块图。

图4为接收通道原理性方块图。

图5为电源机箱原理性方块图。

具体实施方式

在系统控制方面：水深200m内为対底工作状态，并根据不同的深度进行大、小功率的发射；超过200m可自动转为对水工作状态。此外这两种工作状态可以通过显示器上的键盘进行手动切换。

在软件处理方面：対底工作状态时，海底散射信号经接收机去噪放大、通过对数检波器和正交变频器得到信号包络及实部、虚部后，在DSP部件内进行回波到达时间的测量、信号门限的判断和信号的复相关测频，从而解算出船舶相对于海底的速度和深度。

当水深超过200m，海底散射信号小于门限信号，处于失捕状态，连续失捕一段时间后，可自动转为对水工作状态；或者水深尚未超过200m时手动强制对水工作状态。这时利用换能器基阵面以下10m深的某一厚度水层的体积散射信号经接收机去噪放大，进行对数检波、正交变频，然后在DSP部件内进行复相关测频，并解算出船舶相对于水层的速度。这样即使船舶航行在水深超过200m的水域中，也能利用本发明测得的对水速度数据进行辅助导航。

在本发明的设备硬件实现方面主要由下面5大部件构成：

1.换能器基阵

基阵内含有四个采用压电陶瓷材质的换能器，按Janus法配置，形成十字对称分布，外八字形。四个换能器发射时形成四个波束，分别指向船艏、船艉、船的右舷和左舷。(如图2)

整个基阵用不锈钢材质制造。基阵的最下面为聚碳酸脂板，作为透声窗使用。透声窗和不锈钢外壳包裹的空间内充满了有机硅油，作为液态声透镜使用。在换能器上部的不锈钢外壳上粘着一个铂电阻，用于测量液态声透镜的温度。这样根据斯涅尔定理就可以对声速进行补偿。在整个基阵上部安装一个水密接插件，供外接电缆使用。

换能器是收发共用的，可承受电功率＞200W。由于压电陶瓷的表面有增透层，因此电声转换效率可达70％左右。

2.接线盒

接线盒的主要功能是与收发共用换能器匹配并可以进行自校切换。接线盒带有四个阻抗匹配通道和一个测温通道。四个阻抗匹配通道是用来实现换能器基阵中艏、艉、右及左四个换能器与它们所对应的接收机输入阻抗以及发射机等效负载阻抗之间的阻抗匹配。

测温通道实际上是一个电阻-电流转换器。换能器基阵中铂电阻的阻值与温度成线性关系。为了便于长电缆传输，接线盒中的测温通道将铂电阻的阻值转换成电流值。测温通道具有很高的输出阻抗，从而在信号传输过程中不会因电缆的直流电阻而构成测量误差。

3.主机柜

3.1发射通道

如图3，多路振荡器OSC由晶振经分频后产生一个频率为发射载频2倍的对称方波信号2F。

OSC输出的2F信号和计算机送出的发射脉冲包络信号TE分别馈至发射调制器TMOD，经发射调制器同步、分频和及防双导保护后形成发射驱动信号P1、P2。P1、P2信号为相位相反的方波填充的键控脉冲，且有一定的防双导时延。TMOD中还有OSC工作异常时的保护电路，以确保发射机的安全。

发射机TX接收TMOD输出的发射驱动信号P1、P2，经整形后送至D类功放管进行功率放大，然后通过串联谐振回路把信号馈至接线盒与换能器。发射机TX还可以输出发射自校信号。发射机TX模块共有4块，分别驱动艏、艉、右、左四个换能器，以实现声信号的发射。

3.2接收通道

如图4，时变增益接收机RXW接收换能器基阵收到的信号，经滤波、放大后输出。采用压控放大器，压控信号TG的幅度由计算机根据回波到达的时间进行控制，从而实现了对海水中声信号传播衰减的补偿。RXW还有过载快速恢复的特性，避免大信号时造成接收机死锁。

对数检波器RXZ对RXW输出的信号进行对数检波，以得到接收波形的包络Z。

OSC除产生发射载频外，还能产生两路正交本振信号COS和SIN。变频器RXXY接收RXW的输出信号和OSC产生的SIN或COS信号，进行正交变频和低通滤波，从而达到正交差频的目的。

RXZ，RXXY的输出信号Z、Y、X馈至计算机进行复相关测频的解算。

3.3计算机及数字信号处理分机

计算机及数字信号处理分机中含有CPU部件、DSP部件、多功能接口部件。

CPU部件和无源母板构成一台计算机，DSP部件、多功能接口部件均插在无源母板的槽口上。

DSP部件是主要的信号处理部份，完成回波到达时间的测量，对回波信号进行数据采集，并对采集到的数据进行舍取和完成复相关测频算法中的乘加运算，最终将结果通过PC总线传送给CPU。

多功能接口部件的主要作用是完成主机柜与主显示器、复显示器之间各种数据的传输，以及提供多普勒计程仪与其他导航设备或系统之间各种数据的传输。

4.电源机箱

高压电源箱是用来提供艏、艉、右及左通道中发射机的高压直流电源。当发射机发射200W大功率时，由高压电源箱提供直流电源；当发射机发射2W小功率时，由主机柜电源部件中的5V电源模块提供直流电源。

如图5，当需要大功率发射时，将H信号置成高电平，此时交流固态继电器1导通，高压电源模块的输出对大容量储能电容进行充电。这样，大功率发射时发射机就可以从储能电容上汲取电流。

当需要小功率发射时，先将H信号置为低电平，切断高压电源模块的交流供电，然后将D信号置为高电平，此时直流固态继电器导通，电容上的电荷通过大功率电阻R进行放电。放电完毕后，将D信号置为低电平，此时电容与电阻不再导通，最后转入由主机柜中的低压电源模块为发射机供电。

5.显示器

显示器主要由一套PC104计算机、显卡、EL显示屏、键盘以及电源模块组成。

PC104计算机主要用于接收和处理来自主机柜的各种数据，同时通过显卡在显示屏上显示各种数据和图表。

EL显示屏是宽温的(-20℃～+85℃)。它具有体积小、显示清晰、视角大、低压供电和抗恶劣环境等优点。对地测速时，显示对海底的纵向速度、横向速度、合速度和航程与舰下深。对水层测速时，显示对水层的纵向速度、横向速度、合速度和航程。

Claims

1.一种小深度多普勒计程仪，它既可以对底测速，也可以对水测速，其特征在于设备主要由以下几部分组成：

--换能器基阵用于向水中发射声脉冲信号，并接收从海底或水层返回的声波，实现电-声或声-电转换功能；

--接线盒用于实现换能器阻抗与发射机负载阻抗间的匹配。它还带有4路模拟负载，具有模拟负载或换能器与主机柜中收/发系统的转接功能；

--主机柜由计算机及数字信号处理分机、收/发系统和低压电源模块组成；

--主显示器用于速度、航程及设备工作状态信息，并对设备的工作状态及参数进行操控；

2.根据权利要求1所述的小深度多普勒计程仪的收发合一的水下换能器基阵，其特征在于：基阵的最下面为聚碳酸脂板，作为透声窗使用；透声窗和不锈钢外壳包裹的空间内充满了有机硅油，作为液态声透镜使用；压电陶瓷的表面有增透层，因此电声转换效率可达70％左右。

3.根据权利要求1所述的小深度多普勒计程仪的主机柜，其特征在于：主机柜由计算机及数字信号处理分机、收/发系统和低压电源模块组成。

4.根据权利要求1或3所述的主机柜的发射系统，其特征在于：OSC输出的2F信号和计算机送出的发射脉冲包络信号TE分别馈至发射调制器TMOD，经发射调制器同步、分频和及防双导保护后形成发射驱动信号P1、P2。P1、P2信号为相位相反的方波填充的键控脉冲，且有一定的防双导时延；TMOD中还有OSC工作异常时的保护电路，以确保发射机的安全；发射机TX的最大功率为200W。

5.根据权利要求1或3所述的主机柜的接收系统，其特征在于：时变增益接收机RXW接收换能器基阵收到的信号，经滤波、放大后输出；采用压控放大器，压控信号TG的幅度由计算机根据回波到达的时间进行控制，从而实现了对海水中声信号传播衰减的补偿；RXW还有过载快速恢复的特性，避免大信号时造成接收机死锁；对数检波器RXZ对RXW输出的信号进行对数检波，以得到接收波形的包络Z；变频器RXXY接收RXW的输出信号和OSC产生的SIN或COS信号，进行正交变频和低通滤波，从而达到正交差频的目的。

6.根据权利要求1或3所述的主机柜的计算机及数字信号处理分机，其特征在于：DSP部件完成回波到达时间的测量，对回波信号进行数据采集，并对采集到的数据进行舍取和完成复相关测频算法中的乘加运算，最终将结果通过PC总线传送给CPU。